艾比湖湿地盐节木根际土壤氨氧化微生物多样性和丰度及其与环境因子的相关性分析

氨氧化反应是硝化作用的关键步骤,参与这一反应的微生物是氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA).对新疆艾比湖湿地盐节木根际和非根际土壤的氨氧化微生物进行群落结构和丰度分析,并探究其与土壤理化因子的相关性.同时,以氨单加氧酶基因(amo A)为分子标记,构建克隆文库和测序并与q-PCR法结合研究AOA、AOB的群落结构和丰度,利用Pearson相关分析法探究其与环境因子的相关性.结果表明,根际土壤中AOB的多样性高于AOA,amo A基因序列多属于土壤/水体沉积物分支,AOB克隆文库中的所有序列均属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为2.09×104和2.91×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为13.9;非根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为3.85×104和4.76×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为12.36.相关分析显示,氨氧化微生物的群落结构和丰度与电导率(EC)、有机质(OM)、速效氮(AN)、氨氮(NH_4~+-N)和总氮(TN)等环境因子显著相关.这些结果表明,根际土壤中AOB的群落多样性高于AOA,根际和非根际土壤中AOB的丰度均高于AOA,说明在艾比湖湿地AOB是氨氧化微生物的优势种群,且EC、OM、AN、NH_4~+-N和TN可能会影响氨氧化微生物的群落结构和丰度.     

湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量

采用定量PCR方法测定了4个湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量,并分析了其与环境因子之间的关系. 结果表明:小南湖AOA(氨氧化古菌)和AOB(氨氧化细菌)的amoA基因数量最多,分别达2.1×104和2.8×103copies/g(以干质量计,下同);梁子湖仅检测到了AOA amoA基因的存在,平均值为4.9×103copies/g. 东湖和汤逊湖的AOA amoA基因数量比较接近,约为3.0×103copies/g,然而AOB的amoA基因数量在这2个湖泊中仅分别为37和86copies/g;在这些采样点中,AOA的amoA基因数量是AOB的3~278倍. 统计分析发现,随着湖泊营养水平和间隙水中ρ(NH₄+)的上升,AOA和AOB的amoA基因数量均呈增加趋势,但ρ(NH₄+)增加对AOB的促进作用要大于AOA,导致AOA和AOB的amoA基因数量比值与间隙水中ρ(NH₄+)呈显著负相关. pH上升对2类氨氧化微生物的抑制作用则与ρ(NH₄+)增加对它们的促进作用相反. 沉积物中amoA基因数量与间隙水中ρ(NO₂-)无显著相关性,但与ρ(NO₃-)呈显著正相关. 由于ρ(NH₄+)与ρ(DO)之间呈显著负相关,因此认为ρ(DO)与氨氧化微生物amoA基因数量之间的显著负相关可能更多的是对ρ(NH₄+)与氨氧化微生物amoA基因数量之间紧密关系的一种间接反应.      

北运河沉积物中氨氧化微生物的群落特征

采用T-RFLP、RT-qPCR和克隆测序等分子生物学技术,以氨单加氧酶基因(amoA)为分子标记,研究了北运河表层沉积物中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落多样性、丰度、系统发育及其与环境因子的响应关系.结果表明,沉积物中AOB的群落多样性和丰度均高于AOA,是北运河沉积物中氨氧化过程的主要功能微生物.沉积物中氨氧化微生物群落结构沿干流和支流存在明显的空间分异,而AOA的种类组成空间差异较小;沉积物的氨氮(NH4+)和硝态氮(NO3﹣+NO2﹣)是影响氨氧化微生物群落特征的主要因子,AOB对环境变化的敏感性更高;AOA和AOB的amoA基因拷贝数分别为1.32×105~1.91×106copies/g、5.39×105~8.3×106copies/g.闸坝下游沉积物的氨氧化微生物丰度最高.系统发育分析表明,amoA基因序列多属于土壤/沉积物分支,较多AOB的克隆序列与土壤亚硝化螺菌属(Nitrosospira)的类群相似性可达98%.受污水处理厂退水的影响,部分amoA基因序列与污水处理厂废水和活性污泥中发现的类群同源性高.污染物质来源、支流汇入和闸坝拦截对河流沉积物氨氧化微生物的群落特征影响显著.     

我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

水位变化对消落带氨氧化微生物丰度和多样性的影响

南水北调来水进入密云水库将直接引起水库水位上涨,这必将影响消落带土壤中氨氧化微生物的丰度和多样性,从而影响消落带中氮循环过程.采用分子生物学方法,探讨了水位变化对消落带氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)的生物多样性和丰度的影响.Real-time PCR结果显示,2015年9月消落带岸上/水陆界面土壤和沉积物中AOA和AOB的丰度范围分别为1.00×10~7~3.91×10~7copies·g~(-1)和5.49×10~6~9.77×10~6copies·g~(-1).2015年11月水位比9月上升3 m,淹没区土壤/沉积物中AOA和AOB的丰度范围分别为5.80×106~1.56×10~7copies·g~(-1)和2.14×10~6~4.40×106copies·g~(-1),比被淹没前有所下降,但AOA的丰度始终高于AOB,说明AOA比AOB更适合在低氨氮的消落带环境中生长,并且更能适应低氧环境.水位上升3 m后,水陆交界面土壤中AOA和AOB的多样性均有所增加,而在沉积物中多样性减少.水位上涨之前,AOA大多数OTU属于Nitrososphaera、Nitrosopumilus,而水位上涨之后,大多数OTU归属于土壤簇Nitrososphaera,即在低氧消落带环境中土壤簇Nitrososphaera为优势AOA菌.对于AOB,水陆交界面土壤和沉积物中Nitrosopira和Nitrosomonas分别在氨氧化过程中发挥作用.     

长期不同施肥量对全程氨氧化细菌丰度的影响

全程氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)的发现彻底改变了对传统硝化作用的认知,其在生物地球化学氮循环中可能具有很重要的作用,并为硝化作用研究提供了新的思路,故需要有更多的工作去评估Comammox Nitrospira在不同生态系统中的分布,本试验选取西南大学长期定位试验田的3种不同施肥量的水稻土,分别为对照组(blank control)、常规施肥量(NPK)、高量施肥(1.5NPKS)处理土壤,进行硝化势及硝化微生物尤其是全程氨氧化细菌的测定.结果表明:(1)3种施肥量处理土壤中均检测出较高数量级的Comammox,分支A(Clade A)丰度(以干土计,下同)分别为9.0×107、1.7×108、7.2×108copies·g~(-1),而分支B(Clade B)丰度分别为1.5×107、1.2×107、1.7×107copies·g~(-1).(2)3种施肥土壤中AOA丰度为1.5×107~1.2×108copies·g~(-1),AOB丰度分别为2.0×105~9.3×107copies·g~(-1),均低于Comammox丰度,而不施肥条件下Comammox丰度与AOA、AOB的比值最大,分别为7.2、524.4.(3)Comammox Clade A丰度与Comammox Clade B的比值随施肥量增加而增加,且比值依次为6.1、14.4、43.1.(4)NPK、1.5NPKS两种N肥施用量下全程氨氧化细菌分支A丰度分别为对照组的1.9、8.0倍,氨氧化古菌(AOA)分别是对照组的3.2、7.2倍,氨氧化细菌(AOB)均比对照组显著增加2个数量级;硝化势也随施肥量增加而增大;但不同施肥量对分支B丰度却无显著影响.本试验结果表明Comammox广泛分布于中性紫色水稻土中,在水稻土中丰度均比AOA、AOB高,因此Comammox很有可能在中性紫色水稻土的硝化作用中有一定贡献;水稻土中Comammox以Comammox Clade A为主.     

东太湖水产养殖对沉积物中氨氧化原核生物的影响

本研究旨在了解东太湖水产养殖区表层沉积物中氨氧化微生物的群落特征.以编码氨单加氧酶的α亚基(amo A)基因为标记,通过实时荧光定量PCR技术(real-time q PCR)分析环境中好氧氨氧化原核生物的丰度;通过构建克隆文库、测序,进而划分操作分类单元(OTUs)构建系统发育树,分析氨氧化微生物的群落结构与多样性.分析养殖区和对照区表层沉积物中氨氧化微生物群落结构和多样性发现,养殖区中氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)的丰度更高而对照区中氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的丰度更高;AOA在养殖区多样性更高,AOB在对照区多样性更高;AOA在养殖区和对照区沉积物中的优势类群均为Nitrosopumilus,AOB在养殖区和对照区沉积物中的优势类群相同均为亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira).水产养殖主要通过影响沉积物中的氨氮含量来影响AOA和AOB的丰度,养殖过程会影响AOA的群落结构而对AOB的群落结构则无明显影响.     

双氰胺对冬闲稻田和油菜地N2O排放的影响

冬季的温室气体排放往往被忽视,而最新的研究结果表明,冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放仍较大,研究相应的减排措施及减排机制对于减少农田土壤N_2O排放有重要意义.在中国科学院桃源农业生态试验站选择冬闲稻田和油菜地两种不同土地利用方式,并设置添加和不添加双氰胺(DCD)处理,采用静态箱采集和气相色谱法结合监测N_2O排放动态,利用分子生物学手段分析氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落结构和丰度变化.结果表明,添加DCD后明显抑制了冬闲稻田和油菜地N_2O排放,分别减少了36.7%和23.6%.DCD施入抑制了冬闲稻田AOA和AOB的丰度但只改变AOA的群落结构,DCD使AOA和AOB丰度分别减少了59.3%和73.7%.与此相反,添加DCD只改变油菜地AOB的群落结构同时只抑制了AOB的丰度.本研究表明,施加DCD能有效减少冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放,但减排机制不一致.     

不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势和氨氧化微生物数量的影响

利用荧光定量PCR(real-time quantitative PCR,Q-PCR)技术,结合氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea,AOA)丰度和土壤理化性质的测定,探索了不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势(PNF)的影响.试验设置玉米单作和与马铃薯间作两个种植模式,4个施氮水平(不施氮N0、1/2常规施氮N1、常规施氮N2和3/2常规施氮N3)的随机区组试验.结果表明,从不施氮到常规施氮,土壤硝化势和AOA、AOB数量均随施氮量增加而逐渐增加,而高氮(N3)时与N2没有显著差异;间作对土壤硝化势、AOA与AOB数量的影响与施氮量和作物生育期有关,低氮投入(N1)间作有利于增加土壤氨氧化微生物数量和硝化作用.施肥是硝化势增加的主要驱动因子,相关性分析结果表明,土壤含水量是影响PNF的主要环境因子;PNF与土壤中AOA、AOB amoA基因丰度成显著的正相关.尽管玉米马铃薯间作降低了土壤中AOA、AOB amoA基因丰度,却使得间作土壤中AOB占据氨氧化微生物数量上的优势.以上结果表明,施氮和间作均影响了土壤硝化作用和氨氧化微生物AOA和AOB数量的变化,这些变化会影响土壤环境质量.     

布吉河丰水期总细菌和氨氧化细菌的定性和定量研究

河流中微生物的数量和群落结构能在一定程度上反映水环境状况.氨氧化细菌驱动的硝化作用是氮素转化的主要机制,为了解氮素污染河流中氨氧化细菌的群落组成及数量,采用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)和Real-time PCR技术分析了布吉河丰水期不同断面水样中总细菌和氨氧化细菌的群落结构以及数量变化.结果表明,水样中总细菌(16S rRNA)和氨氧化细菌(16S rRNA)数量变化范围分别为4.73×1010～3.90×1011copies.L-1和5.44×106～5.96×108copies.L-1.冗余度分析表明影响微生物数量和群落结构的水环境因子不同:对于总细菌,与其数量显著相关的环境因子是硝氮(P<0.05),与其群落结构显著相关的环境因子是氮素(三氮)和金属(Mn和Zn)(P<0.05);对于氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB),与其数量显著相关的是氨氮和Zn(P<0.05),与其群落组成显著相关的是氨氮、Mn和Zn(P<0.05).测序结果表明在布吉河水样中微生物属于变形菌门(Proteobacterium)的Epsilon-Proteobacteria、Gamma-Proteobacteria、Beta-Proteobacteria和Delta-Proteobacteria这4个纲,氨氧化细菌与Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.属的细菌相似度较高,且Nitrosospira sp.为优势菌属.由于污染影响,布吉河上游和下游微生物群落结构明显不同.     

Limitation of spatial distribution of ammonia-oxidizing microorganisms in the Haihe River, China, by heavy metals

The Haihe River is characterized by high ammonia pollution. Therefore, it is necessary to determine how environmental factors, such as heavy metals in the river limit the spatial distribution of ammonia-oxidizing microorganisms. In this study, the relationships between five heavy metals and ammonia-oxidizing microorganisms were studied. The results showed that under high ammonia, low oxygen and high concentrations of suspended particles, ammonia-oxidizing bacteria(AOB) ranged from 101:3 to 104:8 gene copies/mL and ammonia-oxidizing archaea(AOA) ranged from 102:7 to 104:9 gene copies/mL. The average metal concentrations in water were 23.57(Cr), 21.58(Ni), 65.09(Cu), 622.03(Zn) and 10.16(As) μg/L, with those of Zn, Cu and Cr being higher than the US EPA criteria. Scatter plots of microbial abundance and metals indicated that both AOA and AOB were limited by heavy metals, but in different ways. As had an inhibitory effect on AOB, while Ni and Zn promoted AOA, and the other metals investigated showed no significant correlation with microbial abundance. Overall, our results indicated that the effects of heavy metals on ammonia-oxidizing microorganisms in water are complex, and that the final effect is determined by the physiological role of each element in the microorganisms, as well as environmental conditions such as complexation of organic matter, not simply the total metal concentration.     

模拟的增温增雨对内蒙古温带草原土壤氨氧化微生物的影响

土壤氨氧化微生物是草地生态系统氮循环过程特别是氨氧化过程的主要驱动者,对全球变化具有响应、适应和反馈机制.通过采集在内蒙古温带草原设置的长期增温增雨野外控制实验的土壤样品,应用定量PCR、限制性末端片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和克隆文库等方法研究氨氧化古菌和细菌的丰度、多样性和群落结构对增温增雨的响应.结果表明,增雨显著升高了土壤pH,而增温显著降低了土壤呼吸.氨氧化微生物丰度在各处理之间没有显著差异.T-RFLP结果表明,增雨显著影响土壤氨氧化细菌的群落结构,增温和增雨对土壤氨氧化微生物群落结构的交互作用并不显著.结构方程模型的结果显示植物多样性与氨氧化古菌和细菌的群落结构有显著的相关关系,表明气候变化-微生物-植物三者之间存在着一定的关系.研究结果预示土壤微生物对长期气候变化有一定的适应能力,这对预测未来生态系统的变化具有重要的参考价值.     

低温域湿地植物根际硝化强度及氨氧化微生物研究

以低温域(0~15 ℃)下黄菖蒲(Iris pseudacorus)、菖蒲(Acorus calamus)和香蒲(Typha orientalis)3种湿地植物为研究对象,分别取其根际土壤测定硝化强度,并采用FISH(荧光原位杂交)技术,考察植物根际AOB(氨氧化细菌)、AOA(氨氧化古菌)的数量变化规律. 结果表明:低温条件下,香蒲根际土壤的硝化强度最高,平均值为1.40 mg/(kg·h),黄菖蒲和菖蒲的平均值均为0.96 mg/(kg·h). 湿地植物根际土壤中的细菌数量(数量级为1010)远高于古菌(数量级为108),其中AOB为优势菌种,3种湿地植物的AOA数量分别约占总古菌数量的46.0%、47.9%和49.7%. 3种湿地植物根际AOB的数量(以湿土计,下同)排序为香蒲(2.57×109 g-1)>黄菖蒲(1.23×109 g-1)≈菖蒲(1.14×109 g-1),AOA的数量(以湿土计)排序为黄菖蒲(2.78×108 g-1)>香蒲(2.57×108 g-1)>菖蒲(1.15×108 g-1). 微生物分布特性和硝化作用效果均表明,不同植物根际氨氧化过程的主要作用微生物具有一定差异,AOA和AOB对于湿地土壤氮转化均具有不可忽视的作用,并与植物本体、土壤硝化过程微环境之间有一定的耦合关系.      

Abundance and diversity of ammonia-oxidizing archaea in response to various habitats in Pearl River Delta of China, a subtropical maritime zone

Ammonia-oxidizing archaea (AOA) are widely considered key to ammonia oxidation in various environments. However, little work has been conducted to simultaneously investigate the abundance and diversity of AOA as well as correlations between archaeal amoA genotypes and environmental parameters of different ecosystems at one district. To understand the abundance, diversity, and distribution of AOA in Pearl River Delta of China in response to various habitats, the archaeal amoA genes in soil, marine, river, lake, hot spring and wastewater treatment plant (WWTP) samples were investigated using real-time fluorescent quantitative PCR and clone libraries. Our analyses indicated that the diversity of AOA in various habitats was different and could be clustered into five major clades, i.e., estuary sediment, marine water/sediment, soil, hot spring and Cluster 1. Phylogenetic analyses revealed that the structure of AOA communities in similar ecological habitats exhibited strong relation. The canonical correspondence method indicated that the AOA community structure was strongly correlated to temperature, pH, total organic carbon, total nitrogen and dissolved oxygen variables. Assessing AOA amoA gene copy numbers, ranging from 6.84×10⁶ to 9.45×10⁷ copies/g in dry soil/sediment, and 6.06×10⁶ to 2.41×10⁷ copies/L in water samples, were higher than ammonia-oxidizing bacteria (AOB) by 1-2 orders of magnitude. However, AOA amoA copy numbers were much lower than AOB in WWTP activated sludge samples. Overall, these studies suggested that AOA may be a major contributor to ammonia oxidation in natural habitats but play a minor role in highly aerated activated sludge. The result also showed the ratio of AOA to AOB amoA gene abundance was positively correlated with temperature and less correlated with other environmental parameters. New data from our study provide increasing evidence for the relative abundance and diversity of ammonia-oxidizing archaea in the global nitrogen cycle.     

多年蔬菜连作对土壤氨氧化微生物群落组成的影响

为揭示农业生产中长期大量施用化学肥料对土壤硝化过程微生物种群的影响及其与土壤硝化能力的偶联关系,本研究通过在长沙黄兴蔬菜基地采集长期连作蔬菜(20 a以上,VL)和短期蔬菜种植地(2 a左右,VS)表层土壤(0～20 cm),利用末端限制性片段多态性(T-RFLP)和实时定量PCR(Q-PCR)等手段系统研究了蔬菜连作对氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的组成和丰度的影响及其与土壤硝化势的偶联关系.结果表明,长期蔬菜连作显著使得土壤中AOB amoA的组成趋于单一,同时也影响了土壤中AOA amoA的群落组成;RDA分析结果表明,影响AOB amoA群落结构的主要土壤因素为土壤pH以及Olsen-P的含量.土壤中AOA amoA基因拷贝数明显高于AOB,平均为细菌丰度的6倍,但土壤硝化势(PNF)与土壤中AOB amoA基因丰度成显著的正相关,而与土壤中AOA amoA基因丰度没有显著的相关性.尽管多年蔬菜连作对AOB和AOA丰度的影响还不清楚,却使得AOB优势种群富集,土壤硝化能力增强.     

温榆河中硝化和反硝化基因的Real-time PCR定量

以温榆河为研究对象,采用real-time PCR研究了温榆河不同断面水样和沉积物样品中TB(总细菌)、硝化和反硝化(nosZ和narG)基因数量的变化. 水样中TB基因数量在丰水期为1.05×109~7.38×1011 copies/L,枯水期为1.06×109~2.69×1012 copies/L;氨氧化细菌(AOB)基因数量在丰水期和枯水期分别为nd(未检出)~4.11×108和nd~1.15×109 copies/L. nosZ和narG基因数量在丰水期分别为nd~2.37×108和3.61×108~1.13×1010 copies/L,枯水期分别为2.0×106~3.04×109和nd~1.39×1010copies/L. 枯水期沉积物样品中TB基因数量为1.35×109~7.32×1010 copies/g,nosZ基因数量为nd~1.06×107 copies/g,narG基因数量为1.99×107~1.02×108 copies/g. 枯水期TB基因数量略高于丰水期,枯水期水样中ρ(NH₄+-N)较高导致其AOB基因数量要远高于丰水期,nosZ和narG基因数量并没有明显的水期变化. 相关分析表明,沉积物样品中微生物基因数量与水样中微生物基因数量不相关,而是水质变化长期作用的结果. 冗余度分析表明,丰水期和枯水期水样中影响微生物基因数量的主要环境因子不同,丰水期微生物基因数量是温度、ρ(COD_Cr)、ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₂--N)、ρ(NO₃--N)等共同作用的结果,而温度和ρ(COD_Cr)对枯水期微生物基因数量影响显著.